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KR101507879B1 - 레이저광을 이용한 조명장치 - Google Patents

레이저광을 이용한 조명장치 Download PDF

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KR101507879B1
KR101507879B1 KR20130120600A KR20130120600A KR101507879B1 KR 101507879 B1 KR101507879 B1 KR 101507879B1 KR 20130120600 A KR20130120600 A KR 20130120600A KR 20130120600 A KR20130120600 A KR 20130120600A KR 101507879 B1 KR101507879 B1 KR 101507879B1
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KR
South Korea
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laser light
light
reflecting
fluorescent
light source
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KR20130120600A
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Inventor
주영구
Original Assignee
경북대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명장치는 레이저 광원, 레이저 광원으로부터 방출된 레이저광을 받아 조명광을 방출시키는 형광 유닛, 레이저 광원을 마주하는 광 입사면과 형광 유닛을 마주하는 광 출사면을 가지며, 레이저 광원으로부터 방출된 레이저광을 형광 유닛에 집속시키는 집속 렌즈 및 형광 유닛으로부터 방출된 조명광을 전방을 향해 반사시키는 반사면을 가진 포물면경을 포함하며, 포물면경의 중앙부에는 개구가 형성되며, 집속 렌즈는 상기 광 출사면이 상기 반사면에 의해 둘러싸이도록 상기 포물면경의 개구에 장착되는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저광을 이용한 조명장치{LIGHTING APPARATUS USING LASER}
본 발명은 레이저광을 이용한 조명장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광원으로 레이저광을 이용하며 상기 레이져광을 집속해 형광체를 여기시켜 자발 방출광을 발생시키고 이를 평행광으로 변환하는 레이저광을 이용한 조명장치에 대한 것이다.
발산각이 비교적 작은 레이저광은 가우스 함수 모양을 가지는 단일 횡 모드를 가질 경우, 렌즈나 광학계로 고품질의 평행광을 만들 수 있다. 광의 발산각은 회절 한계에 의해 결정되는데, 예를 들어 파장이 632 nm 이고, 직경 1 mm 인 단일 모드 He-Ne 레이저 경우, 발산각은 0.4 mrad(mili radian) 정도이다.
상기와 같이 레이저광은 매우 작은 발산각을 가진다는 장점은 있지만 레이저 능동 매질의 종류에 따라 특정한 파장에서만 구현이 가능하다는 단점이 있다. 예를 들어 480 nm 파장이나 510 nm 파장에서 동작하는 레이저광을 만드는 것은 가능하지만 개별적으로 레이저 능동 매질을 성장하고 공진기를 개별적으로 제작하는 등, 전체 제작 비용이 매우 높아지게 된다. 또한 레이저광을 물체에 비출 경우, 간섭 현상에 의한 스펙클(speckle)이 생겨서 상의 질이 저하되는 단점도 있다.
반면에 필라멘트나 형광등, LED와 같은 광원은 넓은 파장 대역을 얻을 수 있지만, 광원의 크기가 커서 아무리 좋은 광학계를 사용한다고 해도 평행광을 만들 수는 없다. 도 1에는 레이저 광을 이용한 조명 장치(1)가 개시되어 있다. 예를 들어 청색 레이저광(2)이 입사해서 렌즈(3)에 의해 집속되면 형광체(5)은 청색 보다 파장이 긴 녹색이나 적색으로 파장을 바꾸어 준다. 즉, 형광체(5)는 조명광으로써, 녹색이나 적색의 파장을 갖는 광으로 청색 레이저광의 파장을 변환시킨다. 이때 형광체(5)에서 나오는 빛은 사방으로 흩어 지기 때문에 이를 모으기 위해서는 형광체(5) 뒤쪽에 구면 반사경(6)와 같은 장치를 추가해서 포물면경(4) 방향으로 다시 보내면 포물면경(4)은 평행광을 만들게 된다.
이때, 평행광은 완벽한 평행광은 아니고 발산각을 가지게 되는데, 발산각은 형광체(5)에 맺는 레이저광(2)의 스폿 직경에 비례한다. 좀 더 자세하게는 스폿 직경을 s라고 하고, 포물면경(4)의 초점을 fm라고 할 때, 발산각은 s/(2 fm) 정도이다. 따라서 발산각이 작은 평행광을 만들려고 하면, 스폿 직경을 줄여야 하는데, 스폿 직경은 렌즈(3)의 수차와 관계한다. 기하광학적인 수차를 다 제거 한다고 해도 회절 한계에 의한 스폿 직경이 여전히 발생하는데, 렌즈 직경을 D, 레이저광 파장을 λ, 렌즈 초점 거리를 fl이라고 하면, 스폿 직경 s는
Figure 112013091550648-pat00001
로 나타낼 수 있다. 여기서 NA는 렌즈(3)의 수치 구경(numerical aperture)을 나타낸다.
따라서 발산각이 작은 평행광을 얻기 위해서는 수치 구경이 큰 렌즈(3)를 사용해야 한다. 그러나 기존의 레이저광 조명 장치에서는, 형광체에서 사방으로 발산되는 형광이 렌즈(3)로 다시 들어가게 되는데, 이 빛들은 포물면경(4)으로 가지 못하고 포물면경(4)의 개구(4a) 밖으로 나가기 때문에 평행광을 형성하는데 기여하지 못한다. 이러한 현상은 렌즈(3)의 수치 구경이 클수록 심각해지며 조명의 효율을 떨어뜨리게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 레이저 조명의 효율을 높이는 동시에 발산각이 작은 평행 광원을 구현하는 레이저광을 이용한 조명장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 레이저 광원, 상기 레이저 광원으로부터 방출된 레이저광을 받아 조명광을 방출시키는 형광 유닛, 상기 레이저 광원을 마주하는 광 입사면과 상기 형광 유닛을 마주하는 광 출사면을 가지며, 상기 레이저 광원으로부터 방출된 레이저광을 상기 형광 유닛에 집속시키는 집속 렌즈 및 상기 형광 유닛으로부터 방출된 조명광을 전방을 향해 반사시키는 반사면을 가진 포물면경을 포함하며, 상기 포물면경의 중앙부에는 개구가 형성되며, 상기 집속 렌즈는 상기 광 출사면이 상기 반사면에 의해 둘러싸이도록 상기 포물면경의 개구에 장착되는 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명장치를 제공한다.
상기 집속 렌즈의 광 출사면은 상기 형광 유닛으로부터 방출된 조명광을 전방을 향해 반사시킬 수 있다.
상기 포물면경의 반사면 및 상기 집속 렌즈의 광 출사면은 하나의 포물면을 이룰 수 있다.
상기 광 출사면에는 상기 조명광을 반사시키기 위한 이색 반사층이 코팅될 수 있다.
상기 이색 반사층은, 상기 레이저 광원에서 방출된 레이저광과 동일한 파장의 광에 대해서 투광성을 갖고, 상기 조명광에 대해서는 높은 반사율을 가질 수 있다.
상기 형광 유닛은, 상기 집속 렌즈를 통과한 레이저광에 의해 여기되어 조명광을 방출하는 형광체를 포함하는 형광층, 상기 조명광을 상기 포물면경의 반사면으로 반사시키는 반사층 및 상기 형광층과 상기 반사층을 지지하는 기판을 포함하며, 상기 기판, 반사층 및 형광층이 순차적으로 적층되어 이루어질 수 있다.
상기 형광 유닛은 상기 형광층이 상기 포물면경의 초점 거리에 위치하도록 배치될 수 있다.
상기 반사층은 플레이트 형상일 수 있다.
상기 반사층은, 상기 형광층 및 상기 기판 사이에 배치되는 제1 반사부, 상기 제1 반사부의 일단부로부터 상기 포물면경의 반사면 방향으로 수평 연장되는 제2 반사부 및 상기 제1 반사부의 타단부로터 상기 포물면경의 반사면 방향으로 수평 연장되는 제3 반사부을 포함할 수 있다.
상기 형광체는 양자점(Quantum Dot) 형광체로 이루어질 수 있다.
상기 레이저광을 이용한 조명장치는, 상기 레이저 광원 및 상기 집속 렌즈의 사이에 배치되며, 상기 집속 렌즈의 굴절능을 높이기 위한 굴절능 향상 렌즈를 더포함할 수 있다.
상기 레이저광은 파장이 150 nm 내지 12,000 nm의 범위일 수 있다.
아울러, 본 발명은, 레이저 광원, 상기 레이저 광원으로부터 방출된 레이저광을 받아 조명광을 방출시키는 형광 유닛, 상기 레이저 광원을 마주하는 광 입사면과 상기 형광 유닛을 마주하는 광 출사면을 가지며, 상기 레이저 광원으로부터 방출된 레이저광을 상기 형광 유닛에 집속시키는 집속 렌즈 및 상기 형광 유닛으로부터 방출된 조명광을 전방을 향해 반사시키는 반사면을 가진 포물면경을 포함하며, 상기 집속 렌즈 및 상기 포물면경은 일체로 형성되며, 상기 집속 렌즈는 상기 광 출사면이 상기 반사면에 의해 둘러싸이도록 상기 포물면경의 중앙부에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명장치를 제공한다.
상기 광 출사면 및 상기 반사면에는 상기 조명광을 반사시키기 위한 이색 반사층이 코팅될 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 레이저 조명의 효율을 높이는 동시에 발산각이 작은 평행 광원을 구현하는 레이저광을 이용한 조명장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명장치는 광 효율을 높이는 동시에, 포커싱 렌즈의 수치 구경을 키움으로 해서 형광체에 맺히는 스폿 직경을 줄이며, 결과적으로 출력광의 발산각을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 레이저광을 이용한 조명장치를 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명장치를 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명장치를 나타내는 개념도이다.
도 4는 도 3의 레이저광을 이용한 조명장치의 형광 발광 수단을 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명장치를 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명장치를 나타내는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 이하에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명장치를 나타내는 개념도이다.
도 2를 참조하면, 조명장치(100)는, 레이저 광원(110), 집속 렌즈(120), 형광 유닛(130) 및 포물면경(170)을 포함한다.
레이저 광원(110)은 레이저광을 방출하는 것이다. 레이저광은 발산각이 2 mrad 이하인 것이다. 바람직하게는 레이저광은 발산각이 0.4 mrad 이하인 것이다.
레이저광은 가우스 함수 모양을 가지는 단일 횡 모드를 가질 경우, 렌즈나 광학계를 이용해서 발산각을 작게 할 수 있다. 일반적으로 직경이 1 mm인 He-Ne 레이저의 경우 발산각은 보통 2 mrad 이하이다. 발산각은 회절 한계에 의해 결정된다. 예를 들어, 파장이 632 nm 이고, 직경 1 mm 인 단일 모드 He-Ne 레이저 경우, 회절 한계에 의한 발산각은 0.4 mrad 정도이다.
조명 장치(100)에 있어서, 조명광으로써 발산각이 작은 고품질의 평행광을 만들기 위해서는 광원의 크기가 작아야 한다. 필라멘트나 형광등, LED와 같은 광원은 넓은 파장 대역을 갖는 조명광을 얻을 수 있지만, 광원의 크기가 커서 광의 발산각도 커지기 때문에 광학계의 설계만으로는 평행광을 만들기가 어렵다.
만일 필라멘트, 형광등 또는 LED 과 같은 광원의 크기를 줄인다면 광의 출력도 크기의 제곱에 비례해서 줄어들게 된다. 예를 들어, 필라멘트, 형광등 또는 LED 와 같은 광원의 크기를 축소시켜 레이저광과 같은 발산각을 갖게 한다면 광출력이 10,000배 작아진다. 또한 LED와 같은 자발 방출광(spontaneous emission)은 사방으로 빛을 방출하기 때문에 광학계의 개구수(numerical aperture)가 작을 경우에는 그만큼 출력이 감소하여 보통은 100,000배 이상 광출력이 감소하게 된다.
따라서, 레이저 광원(110)으로는 발산각이 작으면서도 광출력이 높은 레이저광이 방출되는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
레이저광은 다음에 설명할 형광층(140) 내 형광체를 여기시켜 자발 방출광을 발생시키기 위해 형광체의 흡수 파장, 즉 가시광선 또는 자외선 영역의 파장을 갖는 레이저광인 것이 바람직하다. 레이저광의 파장은 150 nm 내지 12,000 nm의 범위 내인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 5,000 nm 이하인 것이다.가장 바람직하게는 1,000 nm 이하인 것이다. 최근 들어 405 nm 청색 레이저 다이오드가 생산되고 있어서 가격이 저렴하면서도 가시광선 대역의 형광체를 여기 시킬 수 있다.
또한, 레이저 다이오드는 작은 부피를 차지하기 때문에 조명 장치(100)의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다. 양자점(Quantum Dot) 형광체를 사용하는 경우에는 세라믹이나 유기 형광체에 비하여 흡수 파장 대역이 넓어서 여러 파장의 여기 광원을 사용할 수 있다. 최근 들어 405 nm 파장대 부근의 청색 레이저광을 발생하는 다이오드가 생산되고 있어서 가격이 저렴하면서도 가시광선 대역의 양자점 형광체를 여기시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 EUV(extream ultraviolet) 리소그라피에도 적용될 수 있다. 이때 형광체는 Xe, Sn이 되고, 고출력 레이저광을 사용해서 작은 면적에 집속된 높은 에너지는 플라즈마를 발생시키고, 매우 짧은 파장의 자발 방출광이 방출된다.
상기와 같이 레이저광을 방출하는 레이저 광원(110)은, 종래 대면적의 자발 방출 광원을 이용하여 생성시킨 광과는 달리 매우 작은 크기의 점에서 발생했기 때문에, 외부 광학계를 이용하여 다시 작은 점으로 모을 수 있는 장점이 있다.
집속 렌즈(120)는 레이저 광원(110)으로부터 입사된 레이저광을 형광 유닛(120)에 집속시키며, 포물면경(170)의 개구(172)에 장착된다. 레이저 광원(110)에서 방출된 레이저광은 집속 렌즈(120)를 투과하면서 일정 경사각으로 굴절하여 통과한 후 상기 형광층(140)에서 집속된다.
집속 렌즈(120)는 광 입사면(121) 및 광 출사면(122)을 포함한다.
광 입사면(121)은 레이저 광원(110)을 마주한다. 레이저 광원(110)으로부터 나온 레이저광은 광 입사면(121)을 통해 집속 렌즈(120)를 투과한다. 광 입사면(121)은 프레넬 렌즈(Fresnel lense)로 형성될 수 있다(미도시). 프레넬 렌즈는 렌즈의 두께를 줄이기 위하여 렌즈의 굴절면을 몇 개의 띠 모양으로 나누어 각 띠에서 렌즈의 굴절 작용을 하도록 하여 일반 렌즈와 동일한 성능을 구현하도록 한 것으로서 이 분야에서 공지된 것을 사용할 수 있다. 이와 같이 프레넬 렌즈는 렌즈의 구성 요소가 되는 일련의 동심원들을 평면상에 적절하게 배치하여 짧은 초점 거리가 형성되도록 한 것이다. 본 발명에 따른 조명 장치는 프레넬 렌즈를 사용함으로써 광 손실을 감소시킬 수 있으며 조명 장치의 경량화 및 박형화를 실현할 수 있다.
광 출사면(122)은 포물면경(170)의 반사면(174)에 의해 둘러싸이며, 포물면경(170)의 반사면(174)과 함께 하나의 포물면을 이룬다. 집속 렌즈(120)로 들어온 레이저광은 광 출사면(122)으로 나가면서 형광 유닛(130)으로 집속된다.
광 출사면(122)에는 형광 유닛(130)으로부터 방출된 조명광을 전방을 향해 반사시킬 수 있도록 이색 반사층이 코팅된다. 이러한 이색 반사층은 레이저 광원(110)에서 방출된 레이저광과 동일한 파장의 광에 대해서 투광성을 갖고, 상기 조명광에 대해서는 높은 반사율을 갖는다.
이색 반사층은 굴절률이 서로 다른 복수의 유전체 박막이 적층되어 이루어진 구조를 가진다. 이 경우, 이색 반사층은 금속보다 훨씬 높은 반사율을 가진 거울면에 의한 다층막간섭 현상이 발생한다. 이러한 이색 반사층은 광학 분야에서 에지 필터라고도 불리며 설계에 따라서 특정 파장을 경계로 반사율이 급격하게 변하도록 설계할 수 있다.
이색 반사층은 유전체 박막의 구성에 따라 자유로이 임의의 파장 영역의 광을 선택적으로 투과/반사시켜 광이용율을 향상시킬 수 있게 한다. 가령 이색 반사층으로 입사되는 빛이 청색광인 경우, 이색 반사층은 청색광은 투과시키지만 녹색광과 적색광에 대해서는 반사하도록 설계할 수 있다. 따라서 하기에서 설명하는 형광층(140)에서 발생되는 조명광 중 녹색광 및 적색광은 이색 반사층에 의해 반사되어 기판(160) 방향, 즉, 전방으로 출사된다. 이러한 방식으로 이색 반사층은 형광층(140)의 조명광 효율을 증가시킬 수 있다.
이색 반사층은 유리기판 상에 은(Ag) 박막과 SiO2 스페이서 박막을 순차적으로 적층하여 패브리-패로(Fabry-Perot) 공진기 구조의 특징을 갖도록 할 수 있다. 이러한 형태의 이색 반사층은 청색광 파장에 대한 공진 파장만 투과시키고 나머지 파장의 광은 반사하는 특징을 보인다.
이상과 같이, 광 출사면(122)은, 광 입사면(121)을 통해 들어온 레이저 광의 경우 형광 유닛(130) 방향으로 투광시키며, 형광 유닛(130)으로부터 반사된 조명광의 경우 전방을 향해 반사시킬 수 있다. 따라서, 광 출사면(122)은 형광 유닛(130)으로부터 나온 조명광에 대해서는 포물면경(170)의 반사면(174)과 같은 기능을 수행할 수 있다.
이러한 구조로 인해, 본 실시예에 따른 조명 장치(100)는 수치 구경이 커서 작은 스폿을 형광 유닛(130)의 형광체에 맺을 수 있고, 형광 유닛(130)의 형광체에서 집속 렌즈(120) 방향으로 나오는 빛, 즉, 조명광을 손실 없이 평행광으로 만들 수 있다.
형광 유닛(130)은 조명광을 내보내기 위한 것으로, 형광체를 포함하며, 이러한 형광체가 집속 렌즈(120)를 통과한 레이저광에 의해 여기 및 발광되어 자발 방출광을 방출시킨다. 이를 위해, 형광 유닛(130)은 형광층(140), 반사층(150) 및 기판(160)을 포함한다.
형광층(140)은 형광체를 포함한다. 형광체는 종래의 유기 또는 무기 형광 화합물로 이루어진 형광체일 수 있다. 또는 형광체는 상기 유기 또는 무기 형광 화합물에 비해 강한 형광을 좁은 파장대에서 발생하는 양자점 형광체일 수 있다. 양자점 형광체를 사용할 경우, 양자점 형광체의 발광 파장은 흡수 파장대가 넓고 양자점 크기에 따라 조절할 수 있으므로 이를 조절하여 임의의 파장에서 평행광을 생성할 수 있다. 또한 형광체와 포물면경(170)의 상대적 위치에 따라 다양한 발산각을 가지는 광을 생성할 수 있다. 레이저 광원(110)에서 방출된 레이저광은 상기 형광층(140)에 집속되며 집속된 상기 광은 형광층(140) 내 형광체를 여기시켜 자발 방출광을 발생시킨다.
반사층(150)은 플레이트 형상으로, 기판(160) 방향으로 방출되는 광을 포물면경(170)의 내면인 반사면(174) 방향으로 반사시킨다. 자발 방출광은 일정한 지향점이 없이 360°의 전 방향으로 빛을 발산하는데, 반사층(150)은 기판(160) 방향으로 방출되는 광을 반사하여 포물면경(170)의 내면인 반사면(174) 방향으로 보내는 역할을 한다.
기판(160)은 형광층(140) 및 반사층(150)이 적층되는 지지대의 역할을 한다. 이에 따라, 형광 유닛(130)은 기판(160), 반사층(150) 및 형광층(140)이 순차적으로 적층되어 이루어진다.
형광 유닛(130)은 형광층(140)이 포물면경(170)의 초점에 위치하도록 배치하면 형광층(140)에서 발생된 광이 포물면경(170)의 반사면(174)에서 반사되어 평행광으로 변환될 수 있다. 형광 발광 수단(130)의 면적은 직경이 20 ㎛ 정도로 작게 하여 전체 출력광에서 중심부의 광 출력 감소를 방지하도록 하는 것이 바람직하다. 포물면경(170) 이외에도 타원면 렌즈를 통해서 형광층(140)에서 발생한 자발 방출광을 평행광으로 변환시킬 수 있다. 포물면경(170)은 구면과 달리 초점에서 출발한 점 광원을 평행광으로 만들어 주는 이상적인 곡면이다. 따라서, 변환된 광은 평행광으로 광의 발산각은 형광층(140)에 형성된 촛점 크기에 의해서 결정된다. 촛점의 크기가 5 ㎛이고, 포물면 경(170)의 초점 거리가 5 mm 인 경우, 발산각은 0.5 mrad 으로 레이저 광원(110)에서 발생되는 레이저광의 발산각에 가깝다.
포물면경(170)은 레이저 광원(110)과 형광 발광 수단(130) 사이에 배치된다. 이러한 포물면경(170)에는 개구(172)가 형성되며, 앞서 살펴 본 바와 같이 집속 렌즈(120)가 개구(172)에 장착된다. 개구(172)는 집속 렌즈(120)를 투과한 레이저광이 포물면경(170)의 초점 부위에 위치하는 형광층(140)에서 집속되도록 하기 위해 포물면경(170)의 중앙부에 형성된다.
포물면경(170)의 반사면(174)은 형광층(140)과 대향 배치된다. 이에 따라, 형광층(140)에 포함된 형광체가 여기되어 방출된 자발 방출광은 포물면경(170) 의 반사면(174)에서 반사 및 굴절되어 조명 장치(100)의 전방으로 방출된다. 상기 설명한 바와 같이 만일 형광층(140)을 포물면경(170) 의 초점부위에 위치시키면 자발 방출광은 평행광으로 변환된다. 포물면경(170)의 반사면(140)은 반사 코팅으로 제조된다. 반사 코팅은 반사 효율을 높이기 위한 것으로 유리하게는 알루미늄, 은 등과 같은 금속 박막 코팅이 될 수 있다. 반사 코팅은 고반사 코팅이 되며, 하나 또는 그 이상의 금속 물질이 혼합된 박막 코팅이 될 수 있으며, 이 분야에서 공지된 방법에 따라 이루어질 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명장치(100)는 이색 반사층으로 코팅된 집속 렌즈(120)의 광 출사면(122)이 포물면경(170)의 반사면(140)에 둘러싸여 포물면경(170)의 반사면(140)과 함께 하나의 포물면을 형성하므로, 광 출사면(122) 방향으로 나오는 조명광도 조명 장치(100) 전방으로 반사시킬 수 있게 되어, 형광 유닛(130)으로부터 나온 조명광을 손실 없이 평행광으로 만들 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명장치를 나타내는 개념도이며, 도 4는 도 3의 레이저광을 이용한 조명장치의 형광 발광 수단을 나타내는 개념도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 조명장치(200)는 레이저 광원(210), 집속 렌즈(220), 형광 유닛(230) 및 포물면경(270)을 포함한다.
본 실시예에 따른 조명장치(200)는 앞선 실시예의 조명장치(100)와 형상 및 기능이 유사한 바, 앞선 실시예의 조명장치(100)와의 차이점을 중심으로 설명한다.
반사층(250)은 제1 반사부(252), 제2 반사부(254) 및 제3 반사부(256)를 포함한다.
제1 반사부(252)는 형광층(240) 및 기판(260) 사이에 배치될 수 있게 기판(260)에 적층된다. 제2 반사부(254)는 제1 반사부(252)의 일단부(252a)로부터 포물면경(270)의 반사면(274) 방향으로 수평 연장된다. 제3 반사부(256)는 제1 반사부(252)의 타단부(252b)로부터 포물면경(270)의 반사면(274) 방향으로 수평 연장된다. 즉, 본 실시예에 따른 반사층(250)은 형광층(240)을 둘러싸는 "ㄷ"자 형상으로 형성된다. 반사층(250)은 형광층(240)을 둘러싸는 형상이라면 기타 다른 형상, 예컨대, 실린더 형상 등으로 이루어지는 것도 가능하다.
형광층(240)으로 들어온 레이저광(L)은 앞서 설명한 바와 같이 형광층(240)에서 파장이 변환된 조명광으로 사방으로 방출된다. 이때, 기판(260)에 평행한 방향으로 나가는 조명광(L1)은 내부 전반사에 의하여 형광층(240) 밖으로 빠져 나가지 못하고 퍼져 나가는 현상이 발생할 수 있다. 광선이 기판에 수직한 기준선과 이루는 각도를 θ라고 할 때, 이러한 빛의 양은 cosθ 정도이고, 굴절률이 n인 매질에서 나가는 경우에는 내부 전반사 조건에 의해서 1 - 1/n2 정도의 빛이 손실된다. 굴절률을 2.0이라고 가정하면 약 75%의 빛이 내부에 갇혀서 손실된다.
본 실시예에서는 제2 반사부(254) 및 제3 반사부(256)를 통해 반사층(250)이 형광층(240)을 둘러싸는 "ㄷ"자 형상의 격벽(sidewall) 구조로 이루어져, 기판(260)에 평행한 방향으로 나가는 조명광(L1)을 형광층(240) 밖으로 반사시킨다. 즉, 제2 반사부(254) 및 제3 반사부(256)는 기판(260)에 평행한 방향으로 나가는 조명광(L1)을 반사시켜 형광층(240) 밖으로 조명광(L2)을 내보낸다.
따라서, 본 실시예에 따른 조명장치(200)는 격벽 구조의 반사층(250)으로 인해 내부 전반사로 인한 손실을 효과적으로 막을 수 있으며, 또한, 스폿이 커지는 효과도 막을 수 있다. 아울러, 본 실시예에서의 반사층(250)은 격벽 구조로 인해 형광층(240)에서 나가는 조명광의 발산각을 줄이는 효과도 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명장치를 나타내는 개념도이다.
도 5를 참조하면, 조명장치(300)는 레이저 광원(310), 집속 렌즈(320), 형광 유닛(330) 및 포물면경(370)를 포함한다.
본 실시예에 따른 조명장치(300)는 앞선 실시예의 조명장치(200)와 형상 및 기능이 유사한 바, 앞선 실시예의 조명장치(200)와의 차이점을 중심으로 설명한다.
조명장치(300)는 굴절능 향상 렌즈(380)를 더 포함한다. 굴절능 향상 렌즈(380)는 레이저 광원(310) 및 집속 렌즈(320) 사이에 배치되며, 구체적으로, 집속 렌즈(320)의 광 입사면(321) 바로 앞에 배치된다.
본 실시예에서는 레이저 광원(310)에서 나온 레이저광이 집속 렌즈(320)를 통과하기 전에 우선적으로 굴절능 향상 렌즈(380)를 통과한다. 굴절능 향상 렌즈(380)는 집속 렌즈(320)의 굴절능(refractive power)을 높이므로, 집속 렌즈(320)에 의한 레이저 광의 형광 유닛(330) 방향의 집속 효율을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저광을 이용한 조명장치를 나타내는 개념도이다.
도 6을 참조하면, 조명장치(400)는 레이저 광원(410), 집속 렌즈(420), 형광 유닛(430) 및 포물면경(470)를 포함한다.
본 실시예에 따른 조명장치(400)는 앞선 실시예의 조명장치(100)와 형상 및 기능이 유사한 바, 앞선 실시예의 조명장치(100)와의 차이점을 중심으로 설명한다.
집속 렌즈(420) 및 포물면경(470)은 서로 일체화된 구조물로 형성된다. 집속 렌즈(420)는 광 출사면(422)이 반사면(474)에 의해 둘러싸이도록 포물면경(470)의 중앙부에 배치된다.
광 출사면(422) 및 반사면(474)에는 형광 유닛(430)으로부터 방출된 조명광을 전방을 향해 반사시킬 수 있도록 이색 반사층이 코팅된다. 한편, 반사면(474)은 이색 반사층 외에 앞서 설명한 다양한 금속 박막 코팅을 하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 집속 렌즈(420) 및 포물면경(470)을 하나의 일체화된 구조물로 형성하므로, 제조시, 예컨대, 하나의 투명 플라스틱 구조로써 집속 렌즈(420) 및 포물면경(470)을 구현할 수 있으므로, 조명장치(400)의 부품수를 저감할 수 있다.
마지막으로, 앞선 실시예들의 경우, 평행광을 만드는 장치를 예시로 들었지만, 레이저의 스폿이 맺히는 형광체의 위치를 초점이 아닌 다른 위치로 옮기면 발산하거나, 수렴하는 자발 방출광을 만들 수 있다. 이러한 경우에도 빛의 품질을 나타나내는 에텐듀는 매우 작아서 레이저광의 에텐듀와 비슷한 크기이다. 보통 LED나 필라멘트, 방전관에서 나오는 광의 에텐듀 보다 훨씬 작기 때문에 렌즈나 거울과 같은 광학계를 추가하면 발산각이 매우 작은 광으로의 변환이 가능하다.
그리고, 이상에서는 본 발명의 일 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
100: 조명장치 110: 레이저 광원
120: 집속 렌즈 121: 광 입사면
122: 광 출사면 130: 형광 유닛
140: 형광층 150: 반사층
160: 기판 170: 포물면경
172: 개구 174: 반사면
200: 조명장치 210: 레이저 광원
220: 집속 렌즈 221: 광 입사면
222: 광 출사면 230: 형광 유닛
240: 형광층 250: 반사층
252: 제1 반사부 254: 제2 반사부
256: 제3 반사부 260: 기판
270: 포물면경 272: 개구
274: 반사면 300: 조명장치
310: 광원 320: 집속 렌즈
321: 광 입사면 322: 광 출사면
330: 형광 유닛 340: 형광층
350: 반사층 352: 제1 반사부
354: 제2 반사부 356: 제3 반사부
360: 기판 370: 포물면경
372: 개구 374: 반사면
380: 굴절능 향상 렌즈

Claims (14)

  1. 레이저 광원;
    상기 레이저 광원으로부터 방출된 레이저광을 받아 조명광을 방출시키는 형광 유닛;
    상기 레이저 광원을 마주하는 광 입사면과 상기 형광 유닛을 마주하는 광 출사면을 가지며, 상기 레이저 광원으로부터 방출된 레이저광을 상기 형광 유닛에 집속시키는 집속 렌즈; 및
    상기 형광 유닛으로부터 방출된 조명광을 전방을 향해 반사시키는 반사면을 가진 포물면경;을 포함하며,
    상기 포물면경의 중앙부에는 개구가 형성되며, 상기 집속 렌즈는 상기 광 출사면이 상기 반사면에 의해 둘러싸이도록 상기 포물면경의 개구에 장착되고,
    상기 포물면경의 반사면 및 상기 집속 렌즈의 광 출사면은 하나의 포물면을 이루어지며, 상기 광 출사면에는 상기 조명광을 반사시키기 위한 이색 반사층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이색 반사층은,
    상기 레이저 광원에서 방출된 레이저광과 동일한 파장의 광에 대해서 투광성을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 형광 유닛은,
    상기 집속 렌즈를 통과한 레이저광에 의해 여기되어 조명광을 방출하는 형광체를 포함하는 형광층;
    상기 조명광을 상기 포물면경의 반사면으로 반사시키는 반사층; 및
    상기 형광층과 상기 반사층을 지지하는 기판;을 포함하며,
    상기 기판, 반사층 및 형광층이 순차적으로 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 형광 유닛은 상기 형광층이 상기 포물면경의 초점 거리에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 반사층은 플레이트 형상인 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 반사층은,
    상기 형광층 및 상기 기판 사이에 배치되는 제1 반사부;
    상기 제1 반사부의 일단부로부터 상기 포물면경의 반사면 방향으로 수평 연장되는 제2 반사부; 및
    상기 제1 반사부의 타단부로터 상기 포물면경의 반사면 방향으로 수평 연장되는 제3 반사부;을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 형광체는 양자점(Quantum Dot) 형광체로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광원 및 상기 집속 렌즈의 사이에 배치되며, 상기 집속 렌즈의 굴절능을 높이기 위한 굴절능 향상 렌즈;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 레이저광은 파장이 150 nm 내지 12,000 nm의 범위인 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명 장치.
  13. 레이저 광원;
    상기 레이저 광원으로부터 방출된 레이저광을 받아 조명광을 방출시키는 형광 유닛;
    상기 레이저 광원을 마주하는 광 입사면과 상기 형광 유닛을 마주하는 광 출사면을 가지며, 상기 레이저 광원으로부터 방출된 레이저광을 상기 형광 유닛에 집속시키는 집속 렌즈; 및
    상기 형광 유닛으로부터 방출된 조명광을 전방을 향해 반사시키는 반사면을 가진 포물면경;을 포함하며,
    상기 집속 렌즈 및 상기 포물면경은 일체로 형성되며, 상기 집속 렌즈는 상기 광 출사면이 상기 반사면에 의해 둘러싸이도록 상기 포물면경의 중앙부에 배치되고,
    상기 포물면경의 반사면 및 상기 집속 렌즈의 광 출사면은 하나의 포물면을 이루어지며, 상기 광 출사면에는 상기 조명광을 반사시키기 위한 이색 반사층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 조명장치.
  14. 삭제
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